Исследователи обнаружили больше скрытых сверхмассивных черных дыр, чем ожидалось

Сверхмассивная черная дыра, окруженная тором из газа и пыли, изображена в четырех различных длинах волн света в концепции этого художника. Видимый свет (справа вверху) и низкоэнергетические рентгеновские лучи (слева внизу) блокируются тором; инфракрасное излучение (слева вверху) рассеивается и переизлучается; а некоторые высокоэнергетические рентгеновские лучи (справа внизу) могут проникать через тор. Автор: NASA/JPL-Caltech

Аналогичные поиски ранее показали, что менее 15% сверхмассивных черных дыр скрыты таким образом. Ученые считают, что истинное разделение должно быть ближе к 50/50 на основе моделей роста галактик. Если наблюдения продолжат указывать на то, что значительно меньше половины сверхмассивных черных дыр скрыты, ученым придется скорректировать некоторые ключевые идеи, которые у них есть об этих объектах и роли, которую они играют в формировании галактик.

Спрятанное сокровище

Хотя черные дыры по своей природе темные — даже свет не может избежать их гравитации — они также могут быть одними из самых ярких объектов во Вселенной: когда газ втягивается на орбиту вокруг сверхмассивной черной дыры, как вода в сливе, сильнейшая гравитация создает такое сильное трение и тепло, что газ достигает сотен тысяч градусов и излучает настолько ярко, что может затмить все звезды в окружающей галактике.

Облака газа и пыли, которые окружают и пополняют яркий центральный диск, могут иметь форму тора или бублика. Если дырка от бублика обращена к Земле, яркий центральный диск внутри нее виден; если бублик виден с ребра, диск закрыт.

Большинство телескопов могут довольно легко идентифицировать сверхмассивные черные дыры, видимые лицом к нам, но не ребром. Но есть исключение, которым воспользовались авторы новой статьи: тор поглощает свет из центрального источника и переизлучает свет с более низкой энергией в инфракрасном диапазоне (длины волн немного больше, чем те, которые может обнаружить человеческий глаз). По сути, пончики светятся в инфракрасном диапазоне.

Эти длины волн света были обнаружены инфракрасным астрономическим спутником NASA, или IRAS, который работал в течение 10 месяцев в 1983 году и управлялся Лабораторией реактивного движения NASA в Южной Калифорнии. Обзорный телескоп, который снимал все небо, IRAS смог увидеть инфракрасное излучение облаков, окружающих сверхмассивные черные дыры. Что самое важное, он мог одинаково хорошо обнаруживать черные дыры как с ребра, так и с фаса.

Для заданной плотности столбцов на линии прямой видимости каждая панель показывает долю обнаруженного жесткого потока 14–195 кэВ относительно выходящего потока при минимальной плотности столбцов, разрешенной каждой моделью (N_H,0). Автор: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad8236

IRAS поймал сотни начальных целей. Некоторые из них оказались не сильно затененными черными дырами, а галактиками с высокой скоростью звездообразования, которые испускают похожее инфракрасное свечение. Поэтому авторы нового исследования использовали наземные телескопы видимого света, чтобы идентифицировать эти галактики и отделить их от скрытых черных дыр.

Для подтверждения наличия сильно затененных черных дыр с ребра исследователи использовали рентгеновскую обсерваторию NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) NASA, также управляемую JPL. Рентгеновские лучи излучаются некоторыми из самых горячих материалов вокруг черной дыры. Рентгеновские лучи с более низкой энергией поглощаются окружающими облаками газа и пыли, в то время как рентгеновские лучи с более высокой энергией, наблюдаемые NuSTAR, могут проникать в облака и рассеиваться. Обнаружение этих рентгеновских лучей может занять часы наблюдения, поэтому ученым, работающим с NuSTAR, сначала нужен телескоп вроде IRAS, чтобы узнать, куда смотреть.

«Меня поражает, насколько полезными были IRAS и NuSTAR для этого проекта, особенно несмотря на то, что IRAS начал работать более 40 лет назад», — сказал руководитель исследования Питер Бурман, астрофизик из Калтеха в Пасадене, Калифорния. «Я думаю, это показывает ценность наследия архивов телескопов и преимущество совместного использования нескольких инструментов и длин волн света».

Численное преимущество

Определение количества скрытых черных дыр по сравнению с не скрытыми может помочь ученым понять, как эти черные дыры становятся такими большими. Если они растут, поглощая материал, то значительное количество черных дыр должно быть окружено густыми облаками и потенциально скрыто. Бурман и его соавторы говорят, что их исследование подтверждает эту гипотезу.

Кроме того, черные дыры влияют на галактики, в которых они живут, в основном, влияя на то, как галактики растут. Это происходит потому, что черные дыры, окруженные массивными облаками газа и пыли, могут потреблять огромное — но не бесконечное — количество материала. Если слишком много падает на черную дыру сразу, черная дыра начинает выплевывать излишки и выбрасывать их обратно в галактику. Это может рассеять газовые облака внутри галактики, где формируются звезды, замедляя скорость звездообразования там.

«Если бы у нас не было черных дыр, галактики были бы намного больше», — сказал Пошак Ганди, профессор астрофизики в Университете Саутгемптона в Великобритании и соавтор нового исследования. «Так что если бы у нас не было сверхмассивной черной дыры в нашей галактике Млечный Путь, на небе могло бы быть гораздо больше звезд. Это всего лишь один пример того, как черные дыры могут влиять на эволюцию галактики».

Больше информации: Peter G. Boorman et al, The NuSTAR Local AGN NH Distribution Survey (NuLANDS). I. Toward a Truly Representative Column Density Distribution in the Local Universe, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad8236

Источник: NASA